第6章_发光与光电耦合器件

1、1本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导体发半导体发光器件光器件及及光电耦合器件光电耦合器件。 gEhc2l l 光具有波粒二象性光具有波粒二象性l 原子内有若干电子围绕原子核不断运动；运动有多种原子内有若干电子围绕原子核不断运动；运动有多种 可能状态；不同运动状态的电子具有不同能量；当它可能状态；不同运动状态的电子具有不同能量；当它 们的运动受到干扰时就可能发射出电磁波。们的运动受到干扰时就可能发射出电磁波。 光的本质及产生光的本质及产生假设假设E0 、 E1为电子的两个运动状态，为电子的两个运动状态，E0为基态，电子受激为基态，电子受激获得一定能量

2、而跃迁到激发态获得一定能量而跃迁到激发态E1，当电子从激发态回到基态，当电子从激发态回到基态时，能量从时，能量从E1变到变到E0，此时发射光子的频率为：，此时发射光子的频率为：h为普朗克常数为普朗克常数3 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、发光。但对光电技术领域来说，光辐射还包括红外、紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度紫外等不可见波段的辐射。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为下受外界能量

3、激发的辐射。前者被称为热辐射热辐射，后，后者称为者称为激发辐射激发辐射，激发辐射的光源常被称为，激发辐射的光源常被称为冷光源冷光源。4 l l 任何高于绝对温度任何高于绝对温度0K的物体都具有热辐射。的物体都具有热辐射。 l l 温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。温度辐射的频率与强度取决于热平衡时的温度。 l l 自然界中的任何物体都是热辐射体。自然界中的任何物体都是热辐射体。 温度低的物体发红外辐射，温度低的物体发红外辐射，500左右时物体的温左右时物体的温度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的度辐射开始发部分暗红色的可见光。温度越高，发出的辐射波长越短；大约在辐射波长越短

4、；大约在1500时的温度辐射体开始发白时的温度辐射体开始发白光。光。应用：应用：热辐射是红外探测技术和温度非接触测热辐射是红外探测技术和温度非接触测量的依据量的依据。热辐射（温度辐射）热辐射（温度辐射）-连续光谱连续光谱5 激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式激励可以使发光物质产生光，外界提供激励能的形式可有多种方式，常用的有以下几种方法：可有多种方式，常用的有以下几种方法：电致发光、电致发光、光致发光、化学发光等光致发光、化学发光等。1 电致发光电致发光 物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，物质中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子从被加速的电子那里获得

5、动能，由低能使原子中的电子从被加速的电子那里获得动能，由低能态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，态跃迁到高能态；当它由受激状态回复到正常状态时，就会发出辐射。这一过程称为电致发光。就会发出辐射。这一过程称为电致发光。 例如：例如： 发光二极管发光二极管所产生的光就是电致发光。所产生的光就是电致发光。 激发辐射的产生方法激发辐射的产生方法 6 2光致发光光致发光 物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。为光致发光。 例如：例如： l l 荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光物质的余辉；荧光、示波管、显象管、日光灯等中荧光

6、物质的余辉；l l钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光钠光灯被另一钠光灯照射发出的黄光(称为共振辐射称为共振辐射)；l l短波长的紫外光照射到杂质短波长的紫外光照射到杂质(油污油污)上发出波长较长的可上发出波长较长的可见荧光。见荧光。 光致发光原理光致发光原理 当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用当光投射到物质上时，光子直接与物质中的电子起作用(吸吸收、动量传递等收、动量传递等)，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁，引起电子能态的改变，电子由高能态跃迁到低能态过程中发出辐射。到低能态过程中发出辐射。7 3 化学发光化学发光 由化学反应提供能量而引起的发光，称化学发光。由化学反应提供能

7、量而引起的发光，称化学发光。 例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。例如：磷在空气中缓慢氧化而发光。 实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同属几种受激过程。同属几种受激过程。总结：总结：温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，温度辐射是一种能达到平衡状态的辐射。也称热辐射，即热平衡状态的辐射。光谱为连续谱。即热平衡状态的辐射。光谱为连续谱。激发辐射是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换激发辐射是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱和连续光谱。 8l按照辐射来源不同，

8、光源分为：自然光源与人工按照辐射来源不同，光源分为：自然光源与人工光源。光源。l按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源按照光波在时间空间上的相位特征，一般将光源分成分成相干光源相干光源和和非相干光源非相干光源。 l按照发光机理，光源又可分成：按照发光机理，光源又可分成：热辐射光源，气热辐射光源，气体发光光源，固体发光光源和激光器体发光光源，固体发光光源和激光器四种。四种。光源的分类光源的分类9光源光源热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯、荧光灯、钠灯汞灯、荧光灯、钠灯氙氙(xian)(x

9、ian)灯、金属卤化物灯灯、金属卤化物灯氘氘(dao)(dao)灯、空心阴极灯灯、空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器、固体激光器气体激光器、固体激光器染料激光器、半导体激光器染料激光器、半导体激光器由物体温度高于绝对零度而产由物体温度高于绝对零度而产生的物体热辐射，称为热辐射生的物体热辐射，称为热辐射光源。光源。由于物体在特定环由于物体在特定环境下受外界能量激境下受外界能量激发而产生辐射，为发而产生辐射，为激发辐射，其光源激发辐射，其光源被称为冷光源。被称为冷光源。冷光源按激发方式分冷光源按激发方式分可分为可分为光致发光、化学发光、光致发光、化学发光、摩擦摩擦发光、阴

10、极射线致发发光、阴极射线致发光、光、电致发光等。电致发光等。101907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光像显示器。近十年来，发光二极管的发光效率及发光光谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。 1.它体积小，重量轻，便于集成；它体积小，重量轻，便于集成；2.工作电压低，耗电少，驱动简便，工作电压低，耗电少，驱动简便，容易用计算机控制；

11、容易用计算机控制；3.它既有单色性好的单色发光二极它既有单色性好的单色发光二极管，又有发白光的发光二极管；管，又有发白光的发光二极管；4. 发光亮度高，发光效率高，亮度发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整。便于调整。 11 发光二极管（即发光二极管（即LED）是一种）是一种注入注入电致发光电致发光器件，它器件，它由由P型和型和 N型半导体型半导体组合而成。其发光组合而成。其发光机理常分为机理常分为PN结结注注入发光与入发光与异质结异质结注注入发光两种。入发光两种。 12由某原因激励到高能由某原因激励到高能级的粒子，没有外刺级的粒子，没有外刺激的情况下，自己跃激的情况下，自己跃迁到低能级，发出光

12、迁到低能级，发出光的现象的现象E1E2h =E2-E1频率频率( (波长波长),),相位相位, ,偏振偏振, ,传播方向是随机的传播方向是随机的t激激励励作作用用原子模型原子模型13 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的态下的N区很多自由电子，区很多自由电子，P区有很多空穴。由于区有很多空穴。由于PN结结阻挡层的限制，在常态下，二者不能自然复合。阻挡层的限制，在常态下，二者不能自然复合。0e x p ( ) Eiw t内电场内电场空间电荷区空间电荷区PN多子空穴多子空穴多子电子多子电子14 当加以正向电压时，当加以正向电压时，N区导

13、带中的电子可越过区导带中的电子可越过PN结的结的势垒进入势垒进入P区。区。P区的空穴也向区的空穴也向N区扩散，于是电子与空穴区扩散，于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在则复合发光主要发生在p区。区。复合过程是电子从高能级跌复合过程是电子从高能级跌落到低能级过程落到低能级过程，这属于自发辐射，是非相干光。这属于自发辐射，是非相干光。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强弱，光的强弱与电流有关与电流有关 内电场内电场空间电荷区空间电荷区PN多子空穴多子空穴多

14、子电子多子电子15电子和空穴复合，所释放的能量电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于等于PN结的禁带宽结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，表示，h为为普朗克常数，普朗克常数，为光的频率。则为光的频率。则普朗克常数普朗克常数h=6.610-34J.s；光速；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（的单位为电子伏（eV），），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长可见光的波长近似地认为在近似地认为在710-7m以下，所以制以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于作发光二极

15、管的材料，其禁带宽度至少应大于h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽普通二极管是用锗或硅制造的，这两种材料的禁带宽度度Eg分别为分别为0.67eV和和1.12eV，显然不能使用。，显然不能使用。16 电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量，取决于半电子和空穴复合时放出能量的大小，即光子的能量，取决于半导体材料的禁带宽度导体材料的禁带宽度Eg(Eg=EEg(Eg=E1 1-E-E0 0) )，放出的能量越大，发出的，放出的能量越大，发出的光辐射波长就越短，即光辐射波长就越短，即例如：例如：GaAs材料的禁带宽度材料的禁带宽度Eg=1.43eV, 则光辐射波

16、长为：则光辐射波长为： 17 半导体内还因为存在微量杂质而发生导带杂质半导体内还因为存在微量杂质而发生导带杂质能级、杂质能级与价带，以及杂质能级之间的跃迁，能级、杂质能级与价带，以及杂质能级之间的跃迁，这些跃迁的距离小于导带到价带的禁带宽度，并在这些跃迁的距离小于导带到价带的禁带宽度，并在禁带宽度附近的能级区域。这样造成了发光二极管禁带宽度附近的能级区域。这样造成了发光二极管发射出来的谱线具有一定的宽度。由此可见，发射出来的谱线具有一定的宽度。由此可见，发光发光二极管发出的波长和谱带宽度主要取决于发光二极二极管发出的波长和谱带宽度主要取决于发光二极管的半导体材料及其掺杂材料。管的半导体材料及其

17、掺杂材料。 在在LEDLED中，向各个方向发出的光是自发发射的。中，向各个方向发出的光是自发发射的。18光输出光输出P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs反型异质结反型异质结同型异质结同型异质结 图中图中P-GaAs（砷化镓）是复合区（砷化镓）是复合区（有源区），（有源区），它它和相邻的和相邻的P-AlxGa1-xAs（砷化镓掺铝）层构成同型异（砷化镓掺铝）层构成同型异质结，而和质结，而和N-AlyGa1-yAs构成反型异质结。这两个异构成反型异质结。这两个异质结起限制载流子（电子和空穴）作用，是载流子有质结起限制载流子（电子和空穴）作用，是载流子有效的集中在效的集中在

18、P-GaAs区内复合发光，故其内部量子效区内复合发光，故其内部量子效率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。率非常高，这是半导体发光二极管所要求的。 同时，将复合区夹在低折射率的两种半导体材料同时，将复合区夹在低折射率的两种半导体材料之间，起到限制光子的作用。之间，起到限制光子的作用。(2) 双异质结注入发光双异质结注入发光 19 按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型射型和边发射型 (1) 面发光二极管面发光二极管 有源区有源区 圆形金属触点圆形金属触点SiO2绝缘层绝缘层SiO2绝缘层绝缘层金属化层金属化层热沉热沉双异质结层双异质结层

19、衬底衬底限制层限制层接合材料接合材料金属化层金属化层光纤光纤圆形蚀刻孔圆形蚀刻孔 图所示为波长图所示为波长0.80.80.9m0.9m的双异的双异质结面发光型质结面发光型LEDLED的的结构。有源发光区结构。有源发光区是圆形平面，直径是圆形平面，直径约为约为50m。厚度小厚度小于于2.5m2.5m。 一段光纤一段光纤( (尾纤尾纤) )穿过衬底上的小圆孔与有源穿过衬底上的小圆孔与有源发光区平面正垂直接入，用以接收有源发光区平面射出发光区平面正垂直接入，用以接收有源发光区平面射出的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发的光，光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为散角均为120

20、120。20(2) 边发光二极管边发光二极管 图图6-4所示为波长所示为波长1.3m的双异质结边发光的双异质结边发光型型LED的结构。它的核心的结构。它的核心部分是一个部分是一个N型型AIGaAs有有源层，及其两边的源层，及其两边的P型型AIGaAs和和N型型AIGaAs导光层导光层(限制层限制层)。导光层的折射率比有源层低，比周围其他。导光层的折射率比有源层低，比周围其他材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源材料的折射率高，从而构成以有源层为芯层的光波导，有源层产生的光辐射从其端面射出。层产生的光辐射从其端面射出。 为了和光纤的纤芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽为了和光纤的纤

21、芯尺寸相配合，有源层射出光的端面宽度通常为度通常为5070m，长度为，长度为100150m。边发光。边发光LED的方的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为2535，垂直方向为垂直方向为120。 nrrieoinnn/1121(1) (1) 发光光谱和发光效率发光光谱和发光效率 LED的发光光谱的发光光谱：指：指LED发出光的相对强度发出光的相对强度(或能量或能量)随随波长波长(或频率或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色，并影响它的发光效率。发射光谱由材料的种类、发光颜色，并影响它的发光效率

22、。发射光谱由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和性质以及发光中心的结构决定的，而与器件的几何形状和封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的封装方式无关。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值峰值波长波长m和和发光强度的半宽度发光强度的半宽度 。峰值波长由材料的禁带宽度决定：峰值波长由材料的禁带宽度决定： mhc/ Eg 对大多数半导体材料由于折射率大，在发射光逸出半对大多数半导体材料由于折射率大，在发射光逸出半导体之前，在样品内已经经过了多次反射，因为短波长导体之前，在样品内已经经过了多次反射，因为短波长比长波长更容易被吸收，所以峰值波长对应的光子能量比长波长更容

23、易被吸收，所以峰值波长对应的光子能量比禁带宽度对应的光子能量小些比禁带宽度对应的光子能量小些22图图6-5给出了给出了GaAs0.6Po.4 和和GaP的发射光谱。当的发射光谱。当GaAs1xPx中中的的x值不同时，峰值波长在值不同时，峰值波长在620680nm之间变化，谱线之间变化，谱线半宽度大致为半宽度大致为2030nm。GaP发红光的峰值波长在发红光的峰值波长在700nm附附近，半宽度大约为近，半宽度大约为100nm。 峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以而减少。在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm/的比

24、的比例向长波方向移动。例向长波方向移动。 23 LED的发光效率：的发光效率：发光二极管发射的光通量与输人电发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单位能之比表示发光效率，单位lm/W；也有把发光强度与注；也有把发光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为入电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎（坎/安）。安）。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率内部量子效率:inexnnex 式中，式中，neo为每秒为每秒发射出的光子数发射出的光子数, ni为每秒注入为每秒注入到器件的到器件的电子数电子数,r是辐射复合的载流子寿命是辐射复合

25、的载流子寿命,rn是是无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有无辐射复合的载流子寿命。由式中可以看出，只有rnr，才能获得有效的光子发射。，才能获得有效的光子发射。 24 光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到光子通过半导体有一部分被吸收，有一部分到达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为达界面后因高折射率（折射系统的折射系数约为34）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部）产生全反射而返回晶体内部后被吸收，只有一部分发射出去。分发射出去。提高外部量子效率的措施：提高外部量子效率的措施：用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（用比空气折射率高的透明物质如环氧树脂（n2 =1.55）涂

26、敷在发光二极管上；涂敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。 外部量子外部量子效率定义效率定义单位时间发射到单位时间发射到外部外部的光子数的光子数单位时间内注入到器件的单位时间内注入到器件的电子电子-空穴空穴对数对数25 发光二极管的时间短发光二极管的时间短于于1s，比人眼的时间响，比人眼的时间响应要快得多，但用作光应要快得多，但用作光信号传递时，响应时间信号传递时，响应时间又显得太长。又显得太长。 如图，通常发光二极如图，通常发光二极管的外部发光效率均随管的外部发光效率均随温

27、度上升而下降。温度上升而下降。 26(3) (3) 发光亮度与电流的关系发光亮度与电流的关系 )exp(dnRiL 发光二极管的发光亮度发光二极管的发光亮度L是单是单位面积发光强度的量度。在辐射位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在发光发生在P区的情况下，发光亮区的情况下，发光亮度度L与电子扩散电流与电子扩散电流idn之间的关系之间的关系为为 (6-3) 式中，式中，是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命r和非辐射复合寿命和非辐射复合寿命nr的函数的函数 如图如图6-7所示为所示为GaAsl- -xPx、Gal- -xAlxAs和和GaP(绿色绿色)发光发光二极管的发光亮度与电流密度的关系曲

28、线。二极管的发光亮度与电流密度的关系曲线。27(4) (4) 最大工作电流最大工作电流 ddd fffd frP rr IUUr II24)( )(max2max 若若LED的最大功耗为的最大功耗为Pmax，则其最大的电流为，则其最大的电流为 (6-4)式中，式中，rd为为LEDLED的内阻；的内阻；If、Uf均为它在较小电流时的电流和压降均为它在较小电流时的电流和压降. . 若工作电流较小，若工作电流较小，LED发光效率随发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。反

29、，发光效率随电流的增大而降低。图图6-8所示为发红光的所示为发红光的GaP发光二极管发光二极管内量子效率内量子效率in的相对值与电流密度的相对值与电流密度J及及温度温度T的关系。随着电流密度的增的关系。随着电流密度的增加，加，pn结温度升高结温度升高,将导致热扩散，使发光效率降低。将导致热扩散，使发光效率降低。 28(5) (5) 伏安特性伏安特性 LED的伏安特性如图的伏安特性如图6-9所示所示,它它与普通二极管的伏安特性大致相同。与普通二极管的伏安特性大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压小于开启点的电压值时无电流，电压一超过开启点就显示出欧姆导电压一超过开启点就显示出欧姆导通特性

30、。这时，正向电流与电压的通特性。这时，正向电流与电压的关系为关系为 iioexp(U/mkT) (6-5) 式中，式中，m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流iE1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布 式中，式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学为热力学温度。由于温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。这是因为电子总是首先占据低能量的

31、轨道。57 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N N1 1和和N N2 2，且，且比例系数比例系数( (吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率) )相等。相等。 如果如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。 如果如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。N2N1的分布，和正常状态的分布，和正常状

32、态(N1N2)的分布相反，的分布相反，所以称为粒子所以称为粒子(电子电子)数反转分布。数反转分布。 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布58问题问题: : 怎样实现粒子数反转？怎样实现粒子数反转？用外界作去激发处在低能级的原子，使原子处在高用外界作去激发处在低能级的原子，使原子处在高能级上，实现粒子数反转分布。这种用来激发低能能级上，实现粒子数反转分布。这种用来激发低能级原子向高能级跃迁的作用称级原子向高能级跃迁的作用称泵浦泵浦。593. 3. 谐振腔谐振腔激励能源激励能源NoImage 全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光光学谐振腔的作用：光学谐振腔

33、的作用： 1.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。60半导体激光器也称为激光二极管半导体激光器也称为激光二极管(LD)(LD)，是一种光学，是一种光学振荡器。振荡器。谐振腔：谐振腔：半导体介质的自然解理面半导体介质的自然解理面 构成平行平面腔构成平行平面腔 泵浦源：泵浦源：通常采用电压很通常采用电压很低的直流电源低的直流电源激光工作物质激光工作物质：直接带隙半导体材料直接带隙半导体材料-砷化稼砷化稼(GaAs)(GaAs

34、)、 砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、铝稼砷、铝稼砷(A1(A1x xGaAs)GaAs)、铟磷砷、铟磷砷 (InP(InPx xAs)As)等等等等 61光光增增益益ECEV1. 1. 半导体激光器发光机理半导体激光器发光机理（1 1）激光介质的增益系数）激光介质的增益系数g g62 若入射光强为若入射光强为I I0 0，在激光介质内传播至，在激光介质内传播至z z处处的光强为的光强为I I，传播至，传播至z+dzz+dz处的光强为处的光强为I+dII+dI，则我，则我们定义激光介质的增益系数们定义激光介质的增益系数g g为：为：g=dI/(IdZ)0012in te x p ( )

35、e x p ()e x p ( 2) e x p ( )E iw tE g L iw t k LR RL 光穿过厚度为光穿过厚度为dzdz介质的情况介质的情况因此激光介质的增益系数因此激光介质的增益系数g就是光通过单位长度就是光通过单位长度激光介质后光强的相对增长率。激光介质后光强的相对增长率。63（2 2）激光介质的损耗）激光介质的损耗 实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。因此激光实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。因此激光介质的损耗系数介质的损耗系数: : 就是光通过单位长度激光介质后光强就是光通过单位长度激光介质后光强相对衰减率。相对衰减率。只有当增益大于或者等于损耗时，才能建只有当

36、增益大于或者等于损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。增益所要求的注入电流称为阈值电流。a. a. 介质的不均匀性造成光线的折射或散射，使得光线介质的不均匀性造成光线的折射或散射，使得光线偏离轴线方向飞出腔外。气体激光器中这类损耗较小，偏离轴线方向飞出腔外。气体激光器中这类损耗较小，固体激光器中这类损耗较大。固体激光器中这类损耗较大。b. b. 介质中存在某些能级差正好与激光频率对应，引起介质中存在某些能级差正好与激光频率对应，引起光子吸收。光子吸收。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损

37、耗。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。64（3 3）如果粒子数不随传播距离）如果粒子数不随传播距离z z而变化而变化 ，则增益，则增益系数系数g是一个常数，并称为小信号增益系数。则是一个常数，并称为小信号增益系数。则 I=I0egz可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长增长问题：光在介质中的放大一直持续下去？问题：光在介质中的放大一直持续下去？不会。因为每经过一次受激跃迁，不会。因为每经过一次受激跃迁，粒子数反转程度都要降低，当增益粒子数反转程度都要降低，当增益不再超过损耗时，放大就停止。不再超过损耗时，放大就停止。65 通常是由具有一

38、定几何形状和光学反射特性的两块通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜反射镜(解理面）按特定的方式组合而成。解理面）按特定的方式组合而成。作用：作用：提供正反馈和增益提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。维持受激辐射的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。输出激光具有一定的定向性和单色性。66增益增益 损耗损耗增益增益 损耗损耗增益增益= =损耗损耗增益和损耗增益和损耗int12exp(2)2R RL67l注入电流，即注入载流子；注入电流，即注入载流子；l在有源区形成粒子数反转，导带

39、电子不稳定，少在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；数电子自发跃迁到价带，产生光子；l1 1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出放出2 2个相干光子，持续这个过程，直到释放出个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；l光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LDLD开始工开始工作。作。682. 2. 激光器工作模式激光器工作模式 在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不

40、变以平面平行腔为例以平面平行腔为例: :01 2 i n te x p () e x p (2 ) e x p ()E g Liw tk L R RL 设设M1M1点处光电场为：点处光电场为：在长度为在长度为L L，功率增益系数为，功率增益系数为g, g, 光腔往返一次后，为：光腔往返一次后，为：exp(2)2gL由介质增益导致振幅变化为：由介质增益导致振幅变化为：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：/kncR1R1和和R2R2为端面反射率，为端面反射率，intint为腔内总损耗率，为腔内总损耗率，为平面波的波数为平面波的波数69在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应

41、保持不变在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变有有: :1 2int1exp() exp(2 )RRgLLi kL12int1exp()R RgLL令两边振幅和相位分别相等，则：令两边振幅和相位分别相等，则：22kLm振幅条件：振幅条件：1 2int1exp()RRgLL（m m为整数）为整数）相位条件相位条件：70激光器稳定工作的相位条件：激光器稳定工作的相位条件：m m为整数为整数2kL=2m 波数波数k=2nv/cL L为光腔长度为光腔长度n n为增益介质折射率为增益介质折射率激光器振荡频率激光器振荡频率vm=mc/2nL c/(2nL)满足相位条件的纵模分布满足相位条件的纵模分布

42、这些频率对应于激光这些频率对应于激光器的纵向模式，和光器的纵向模式，和光腔长度有关腔长度有关71 显然产生激光要满足显然产生激光要满足阈值条件阈值条件和和相位条件相位条件。thII激光器稳定工作的振幅条件激光器稳定工作的振幅条件： 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为这一增益称为阈值增益，阈值增益，理论推出在谐振腔内开始建立稳定理论推出在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为。的激光振荡的阈值条件为。 式中，式中，g为阈值增益系数，为阈值增益系数，int为谐振腔内激活物质为谐振腔内激活物质的损的损 耗系数，耗系数，L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R1，R2UA2时，时，控制极相对于控制极相对于A2加正脉冲，加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从晶闸管正向导通，电流从A1流向流向A2。UA2UA1时，时，控制极相对于控制极相对于A2加负脉冲，加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从晶闸管反向导通，电流从A2流向流向A1。A1A2G128 光控可控硅元件